薄煤层综采工作面液压支架电液控制系统研究

李道民

(长治职业技术学院，山西 长治 046000)

以某矿薄煤层综采工作面为研究背景，对液压支架电控系统进行了研究，同时分析了支架系统的可靠性，为该工作面安全、快速、高效生产提供了技术支撑。

1 工作面概况及支架情况

该矿所采煤层为山西组2号煤层，煤层厚0.84～1.36m，平均1.16m，不含夹矸，煤层结构简单，属全区稳定可采煤层，工作面使用116架ZY3800/07/16D型两柱掩护式液压支架进行支护(图1)，主要技术参数如下：

支架型式：两柱掩护式；

支架高度：700～1600mm；

支架工作阻力：3800kN(P=39.7MPa)；

立柱内径：φ250mm；

支护强度：>0.4MPa；

对底板平均比压：≤1.5MPa；

支架中心距：1500mm；

支架控制方式：电液控制。

图1 ZY3800/07/16D型掩护式液压支架

2 电液控制系统的组成及原理

随着综采技术及装备的不断发展，支架控制系统使用了电磁(微电机)处理、传感技术、红外遥感等先进的技术，使支架在移架速度、运行姿态、支护效果等方面得到了极大的改善[6-8]，支架电液控制系统与采煤机煤岩体识别系统相互配合可实现工作面自动控制。

支架电液控制系统由电控单元与信息传输系统组成，电控单元由电磁先导阀、人机交互界面、电源箱、控制器、电缆连接器、传感器等部件组成[9-11]。电磁先导阀主要实现电液信号的转换，可接收操作者通过人机交互界面分析后通过控制器而发来的相应电信号，将其转化为相应的液压信号，通过阀体控制支架各构件执行相应动作。运行过程中各传感器分别监测支架的相应运行参数，并将其报送至控制器，控制器通过分析判断所反馈的信息来决定支架的相关动作来实现自动控制。在支架电液控制系统中，一个通信子网由若干个控制器构成，整个工作面支架分成不同的信息子网，形成工作面控制系统通信网络，通过巷道监控系统进行集中控制与管理，同时将数据传输至地面主机。图2为工作面电液控制系统图。

图2 工作面电液控制系统

3 电液控制系统设计

本文所设计的新型集成电液控制系统具有视频传输、图像传输、音频传输及高速计算功能，同时具备集成红外传感器、集成高度传感器、集成倾角传感器等新型传感器的兼容能力。

3.1 控制器参数调整设计

支架控制器是电液控制子系统中的核心部件，通过新型控制技术可实现实际开采工况与支架运行的自动吻合[12-13]。为了保证系统适应不同复杂条件下的控制功能，将决定或影响控制过程的特征量设定为可变量，在支架实际工作过程中根据实际生产条件修正参数值，保证系统达到最佳控制效果。

图3为特征量调整逻辑图。

图3 特征量调整逻辑图

3.2 支护高度自动测量设计

由于薄煤层综采工作面支架支护范围较小，开采过程中为保证支架顶梁与采煤机滚筒互不干扰，在电控系统中引入了支架高度自动测量系统，系统中集成高度传感器与支架控制器相互配合，一端安装在支架顶梁，另一端接于支架控制器，可实时测量煤层厚度、立柱支护高度、掩护梁与顶梁铰接位置高度等参数，高度误差为30mm。图4为高度传感器安装示意图。

图4 高度传感器安装示意

3.3 声光报警系统设计

为指示某一时期内薄煤层综采面的危险区域，在电液控制系统中设计了声光报警系统，将系统中的外置声光报警器安装于支架顶梁或其他醒目位置，与支架控制器相互配合，正常情况时报警器颜色为绿色，当支架受力过高或运行姿态过差而控制器无法调整时，声光报警器会发出报警信号，同时颜色由绿色变为红色，通过颜色分区警示危险区域，划分安全区域。

3.4 运行姿态自动测定与分析设计

为实时监控支架的运行姿态，在电控系统中引入了角度测量及运行姿态报告系统，角度测量系统采用内置集成倾角传感器，可自动检测立柱倾斜角及顶梁底座偏转角等参数，并将数据报送给支架控制器，控制器会根据所反馈的数据进行判断，当支架顶梁及底座旋转角度超过设定值时，控制器会通过调整四连杆机构及立柱压力等对支架进行调整，确保支架具有良好的运行姿态。

此外，为方便直观了解支架运行姿态，在控制系统中安装了状态分析报告服务器，根据薄煤层液压支架运行姿态的某一关键指标(如立柱压力、安全阀开启频率、顶梁及底座偏转角、故障频率等)，服务器可以图片的形式自动生成任何时间段的运行报告，数据传输至地面控制中心后，任何终端都可根据权限查看相应的状态分析报告。

3.5 安全防护设计

为保证设备维修或调试期间操作人员安全，在控制器中设置了自动闭锁程序。操作人员通过人机界面发出指令后支架进入闭锁状态，使控制器硬件驱动电源被切断，支架不能执行相关动作，同一子系统中的相邻支架也通过软件作用执行闭锁指令，本子系统支架执行闭锁指令时不影响其他子系统支架正常工作。此外，在每一个控制器中设定了紧急停止程序，当发生安全事故等紧急情况时操作人员可通过人机界面发出紧急停止指令，整个工作面支架立即停止动作，在指令解除前无法动作。

3.6 控制系统软件设计

设计的电控系统采用本地控制与远程监控相结合的双重控制模式：本地控制时，操作者通过人机交互界面发出相应指令给支架控制器，控制器通过CAN总线实现如成组控制、本架控制、邻架控制、采煤机监控跟机等操作；远程控制采用以太网进行井上下数据传输，既可以将井下数据传至地面集控中心，又可以将地面控制中心的指令数据传入工作面进行地面实时控制，远程控制系统与视频监控系统、智能照明系统、环境监测系统和人员识别系统等控制系统共用一根标准4芯高速电缆，使整个工作面实现多网合一的数据传输功能。

4 电液控制系统可靠性设计

由于薄煤层开采时的空间限制，综采设备在实际生产过程中所需要的操作人员较少，在很大程度上工作面安全高效生产依靠设备自身的稳定性与可靠性，基于此，本文设置了以下程序来保证控制系统的可靠性：

(1)设计了以远程控制的以太网传输网络和本地控制的CAN总线传输网络，其中以太网CPT/IP传输速度为100Mbpa，当以太网出现故障时，支架控制器可通过CAN总线进行远程传输，保证数据及时准确传至地面控制系统。

(2)为保证工作面安全生产，在控制系统中设置了优先指令程序，以支架紧急闭锁指令为程序最优先级，邻架控制和成组控制为次优先级，最后为远程控制。

(3)支架控制子系统中设置了相应滤波电路，有效抵抗电磁干扰，能够独立实现各控制功能。

5 结束语

在介绍薄煤层工作面支架电液控制系统结构及工作原理的基础上分析了电控系统中支架控制器参数调整、支护高度自动测量、声光报警系统、运行姿态测定与分析系统、安全防护系统及软件系统的设计方案，并给出了提高系统可靠性所采取的措施。该套电液控制系统自运行以来使用效果良好，基本可以满足薄煤层综采工作面快速安全高效的开采要求。